Лазеры в допечатных процессах

Ю.Н. Самарин, докт. техн. наук, МГУП

Конструктивные особенности лазеров

Газовые лазеры

   Гелий­неоновый лазер

   СО2­лазер

   Ионный аргоновый лазер

Полупроводниковые лазеры

   Инжекционный лазер

   Твердотельный лазер

   Волоконный лазер

Окончание. Начало в № 2’2006

Конструктивные особенности лазеров

Лазеры различаются по следующим параметрам:

•  рабочая среда, которой могут служить твердые диэлектрики, полупроводники, газы или жидкости;

•  способ создания в среде инверсии населенностей или способ накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным разрядом, интенсивная инжекция заряда, мощное электронное облучение, химическая накачка);

•  конструкция резонатора;

•  режим действия (непрерывный или импульсный).

Указанные различия напрямую определяют функциональные и технические возможности конкретных лазеров, влияют на их назначение и сферу применения.

Вещества и материалы, которые используются в лазерах в качестве активной среды, должны удовлетворять следующим основным требованиям:

•  иметь четко выраженные энергетические уровни, позволяющие эффективно воспринимать энергию внешней накачки и с минимальными потерями преобразовывать ее в электромагнитное излучение;

•  обладать высокой оптической однородностью, чтобы существенно уменьшить частичное поглощение (потери) света в лазерной (активной) среде;

•  быть стойкими к перепадам температуры, влажности, к различным физико­химическим воздействиям;

•  иметь высокую теплопроводность и малый коэффициент термического расширения;

•  сохранять состав и свойства в процессе функционирования лазера.

Твердые лазерные материалы должны к тому же обладать высокой прочностью и не разрушаться при механической обработке (резке, шлифовке, полировке), выполняемой в процессе изготовления активных элементов (лазерных стержней).

Газовые лазеры

В газовых лазерах трубка с активным газом помещается в оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал, одно из которых является полупрозрачным. Оптическая волна, распространяясь через активный газ, усиливается и создает лавину фотонов. Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично выходит за пределы резонатора, создавая выходное лазерное излучение. Другая часть оптической энергии отражается от зеркала и порождает новую лавину фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе и направлению дальнейшего распространения.

Газовые лазеры работают в весьма широком частотном диапазоне (от ультрафиолетового до далекого инфракрасного), функционирующем в импульсном и в непрерывном режимах.

Газы по сравнению с твердыми телами и жидкостями обладают значительно меньшей плотностью и более высокой однородностью, поэтому оптический луч в газах практически не искажается, не рассеивается и не теряет энергию. В результате направленность лазерного излучения в газовых лазерах резко возрастает до предела, определяемого дифракцией света. Расходимость светового луча газовых лазеров в области видимого света составляет 10^-5–10^-4 рад, а в инфракрасной области 10^-4–10^-3 рад.

В газовых лазерах стабильность частоты излучения зависит главным образом от неподвижности зеркал и других компонентов оптического резонатора, что гарантирует исключительно высокую стабильность частоты. Весьма важно, что газовые лазеры способны без принципиальных затруднений формировать оптические колебания одной определенной частоты (монохроматическое излучение).

В газовых лазерах создание активной среды с четко выраженной инверсией населенностей обеспечивается разнообразными способами и средствами. Оптическая накачка с применением газоразрядных ламп, эффективная для твердотельных лазеров, в газовых лазерах не используется, поскольку газы поглощают энергию в узких спектральных полосах (линиях), а лампы излучают свет в широких частотных диапазонах. Поэтому КПД оптической накачки с помощью ламп в газовых лазерах очень мал.

Как правило, инверсия населенностей в газовых лазерах создается путем электрического разряда. Свободные электроны, возникающие в процессе разряда, при столкновениях с микрочастицами (атомами, ионами, молекулами) газа, посредством электронного удара возбуждают их и переводят на более высокие уровни энергии. Если время жизни возбужденных микрочастиц на верхних энергетических уровнях относительно велико, то в газовой среде создается четко выраженная и устойчивая инверсия населенностей. Метод электронного удара эффективно используется для накачки газовых лазеров, действующих в непрерывном и/или импульсном режимах.

Успешно применяется и способ резонансной передачи возбуждения, при котором возбуждение микрочастиц одного вида происходит при неупругих соударениях с микрочастицами другого вида. При этом создание активной среды в газе происходит в две стадии: сначала электроны возбуждают микрочастицы вспомогательного газа, которые затем в процессе неупругих соударений с микрочастицами рабочего газа передают им избыточную энергию. Начальное накопление энергии вспомогательных микрочастиц происходит должным образом, если время жизни этих микрочастиц на высоких энергетических уровнях относительно велико.

Гелий­неоновый лазер

Оптический резонатор гелий­неонового лазера (рис. 1) содержит два вогнутых или плоских зеркала 1 и 2; в объеме резонатора размещена тонкая трубка 3 с внутренним диаметром около 1 мм и длиной примерно 10 см. В трубку введены газы гелия и неона при соотношении парциальных давлений Не:Ne = 5:1 и общем давлении вакуума 0,4 кПа. Тлеющий разряд в трубке обеспечивается электрическим напряжением 1­3 кВ от внешнего источника 4, приложенным между катодом 5 и анодом 6 трубки; ток разряда (около 5 мА) ограничивается резистором 7 (50 кОм). На концах газоразрядной трубки под углом Брюстера _Бр к оси трубки в качестве окон размещены (приклеены или приварены) оптические полированные стекла 8 и 9. Угол Брюстера определяется отношением _Бр = аrctg n_cm, где n_cm — коэффициент преломления стекла. При таком угле отраженный свет полностью поляризован.

Рис. 1. Конструкция гелий-неонового лазера

СО₂­лазер

СО₂­лазер обеспечивает высокую мощность излучения в непрерывном режиме. При возбуждении молекул углекислого газа электронным разрядом такой лазер излучает мощность до 10 кВт. Данные лазеры обладают большим КПД, составляющим 15­20%, а иногда достигающим и 40%. СО₂­лазеры эффективно действуют и в импульсном режиме.

Одним из основных условий работы СО₂­лазера является недопустимость нагрева лазерной смеси выше температуры 600­700 К, а следовательно, необходимо ее эффективное охлаждение. Отвод тепла от рабочей смеси лазера может осуществляться либо за счет диффузии тепла к охлаждаемой стенке разрядной трубки, либо путем замены нагретой порции газа на новую. Поэтому по способу охлаждения рабочей смеси газоразрядные СО₂­лазеры принято делить на лазеры с диффузионным и конвективным охлаждением. Стабилизация разряда в диффузионных лазерах осуществляется за счет процессов амбиполярной диффузии заряженных частиц. В конвективных лазерах с продольной прокачкой стабилизация разряда, как правило, тоже осуществляется диффузией заряженных частиц к стенкам трубки, но поток выделяющегося в разряде тепла уносится газом. В лазерах с поперечной прокачкой стабилизация разряда, как и охлаждение рабочей смеси, обеспечивается за счет выноса газа из зоны возбуждения; при этом за время прохождения газом зоны возбуждения неустойчивость разряда развиться не успевает.

Принцип диффузионного охлаждения рабочей смеси газового лазера заключается в отводе тепла, выделяющегося в процессе лазерной генерации, вследствие процесса молекулярной теплопроводности газа к охлаждаемым стенкам трубки или камеры.

СО₂­лазер с диффузионным охлаждением рабочей смеси (рис. 2) состоит из охлаждаемой водой разрядной трубки 3, внутри которой с помощью системы электродов 1 создается газоразрядная плазма 4. По торцам разрядной трубки размещаются зеркала резонатора: глухое вогнутое 2 и полупрозрачное выходное 5 из GaAs, расположенное под углом Брюстера. Стабильность усилительных свойств среды в течение длительного времени поддерживается слабой прокачкой лазерной смеси или размещением внутри лазера регенерирующего элемента. В диффузионных лазерах, как правило, используется смесь СО₂:N₂:He в соотношении, близком к 1:1:3 или 1:1:6.

Основным фактором, ограничивающим объемный энерговклад в диффузионных СО₂­лазерах, является охлаждение рабочей смеси. Предельную мощность излучения лазера можно оценить с помощью соотношения:

,

где L₀ — активная длина разрядной трубки; X — коэффициент теплопроводности рабочей смеси; T_max — максимально допустимый нагрев рабочей смеси; T_ст — температура стенки трубки; η_эо — электрооптический КПД.

Как видно из приведенного соотношения, удельная мощность излучения лазера, снимаемая с единицы длины газоразрядной трубки (Р_л /L₀), не зависит от давления рабочей смеси и радиуса трубки. Предельные значения этого параметра составляют Р_л /L₀≤50­100 Вт/м, что достигается использованием рабочей смеси с высоким содержанием гелия (большое X).

Конструкция СО₂­лазеров позволяет обеспечить высокий уровень энергетической, частотной и угловой стабильности выходного излучения. Надлежащее согласование осевой симметрии активной среды и резонатора позволяет обеспечить надежную селекцию поперечных мод и выделение низшей моды ТЕМ₀₀. Стабильность углового положения выходного излучения позволяет с высокой точностью контролировать местоположение сфокусированного пучка на поверхности формного материала. Малая апертура генерируемого пучка дает возможность применять относительно дешевые оптические элементы. Качество излучения лазера дает возможность фокусировать его пучок в пятно размером 50­100 мкм и получать интенсивность излучения в пятне до 108 Вт/см².

В лазерах с конвективным охлаждением рабочей смеси, осуществляемым путем ее быстрой прокачки через зону газового разряда, достигаются высокие уровни рабочих давлений и удельного объемного энерговклада по сравнению с соответствующими параметрами диффузионных лазеров. Это обеспечивается за счет резкого сокращения времени охлаждения смеси при быстрой прокачке по сравнению со временем диффузионного охлаждения.

При фиксированном радиусе трубки продольная прокачка газа может увеличить удельный съем мощности излучения с единицы длины приблизительно на порядок, то есть до Р/L₀≈500­1000 Вт/м. Турбулентный характер течения газа может привести к росту скорости его охлаждения, сравнимому со скоростью конвективного охлаждения.

Рис. 3. Схематическое изображение СО₂-лазера с быстрой поперечной прокачкой: 1 — вентилятор (компрессор); 2 — область разряда; 3 — теплообменник

Перспективной в плане повышения мощности лазера является также схема с поперечной прокачкой газа (рис. 3). Время конвективного охлаждения в этой схеме может быть на 3­4 порядка меньше, чем у диффузных лазеров. При этом основным фактором, ограничивающим значение вкладываемой в разряд мощности, становится устойчивость разряда. Мощность лазера с поперечной прокачкой, имеющего газоразрядную камеру (ГКР) с длиной вдоль оптической оси L₀ и высотой h₀, определяется полным расходом газовой смеси Gг, максимальной температурой ее нагрева Tmаx и электрооптическим КПД η_эо:

,

где Ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении; ρ_г — плотность рабочей смеси; v₀ — скорость прокачки.

В условиях конвективного охлаждения смеси поперечным потоком с единицы длины в направлении оптической оси можно снять мощность излучения Р/L₀ ≈ 0,3­100 кВт/м, что существенно превышает удельные съемы излучения, достигаемые при других способах охлаждения рабочей смеси. Как правило, прокачка рабочей среды осуществляется по замкнутому газодинамическому тракту.

Типичные схемы конвективных СО₂­лазеров с продольной и поперечной прокачкой состоят из нескольких цилиндрических (продольная прокачка) или одной прямоугольной (поперечная прокачка) разрядных камер, резонатора, теплообменников, вентилятора, газоводов и выходного окна. Стабильность химического состава активной среды в условиях замкнутого газодинамического цикла поддерживается за счет непрерывного обновления малой доли смеси (~0,1­1% расхода в контуре) или с помощью размещаемых в контуре регенераторов.

Ионный аргоновый лазер

Ионный аргоновый лазер является одним из самых сложных и дорогостоящих устройств, но, несмотря на это, его довольно широко используют в различных областях, в том числе для воспроизведения изображений, поскольку такой лазер способен генерировать достаточно мощное излучение в очень важных областях спектра — в коротковолновой части видимого диапазона и в УФ­области. Наиболее мощное излучение обеспечивается на нескольких линиях сине­зеленой области в диапазоне 457,9­514,5 нм, причем самыми сильными линиями являются 488 и 514,5 нм. В ближней ультрафиолетовой области лазер работает на двух длинах волн — 351,1 и 363,8 нм. Обе эти области представляют большой практический интерес, так как соответствуют области максимальной чувствительности широко используемых фото­ и формных материалов.

Аргоновый лазер работает на ионных переходах, имеющих относительно высокие энергетические уровни, поэтому для накачки этого лазера требуется сильноточный разряд. Мощность излучения вначале растет приблизительно пропорционально кубу тока; в режимах же, близких к рабочим, эта зависимость носит примерно квадратичный характер. При дальнейшем увеличении плотности тока (600­1000 А/см²) наблюдается насыщение, а далее следует спад, вплоть до исчезновения генерации (рис. 4). Спад мощности обусловлен в основном девозбуждением электронами верхних лазерных уровней, пленением УФ резонансного излучения (λ = 72 нм), 100% ионизацией, вытеснением газа и др.

Рис. 4. Зависимость мощности излучения аргонового лазера от плотности разрядного тока

Рис. 5. Схема лазера на аргоне: 1 — окна под углом Брюстера; 2 — катод; 3 — система охлаждения; 4 — керамический капилляр; 5 — обмотка соленоида; 6 — анод; 7 — обводной канал

Из­за большой плотности тока в газоразрядной трубке происходит перекачка ионов Ar+ по направлению к катоду, что приводит к срыву генерации. В целях компенсации этого эффекта в конструкции газоразрядной трубки предусмотрена дополнительная трубка (обводной канал), обеспечивающая обратную циркуляцию газа (рис. 5). Для предотвращения возникновения разряда через эту трубку она делается длиннее основной газоразрядной трубки. Кроме того, трубку обычно помещают в постоянное магнитное поле, параллельное оси трубки. Продольное магнитное поле в значительной степени влияет на параметры плазмы; траектории электронов, движущихся поперек силовых линий поля к стенкам разрядной трубки, закручиваются. В результате частота соударений в плазме повышается, а потери на стенках уменьшаются. Напряжение горения разряда в магнитном поле снижается, и при том же разрядном токе мощность излучения увеличивается, то есть растет  КПД.

Водяное охлаждение значительно осложняет эксплуатацию аргоновых лазеров, однако оно необходимо при мощности излучения порядка 1 Вт и при потребляемой мощности около 10 кВт. Если мощность излучения составляет 100­200 мВт, то возможно ограничиться принудительным воздушным охлаждением.

В настоящее время выпускается множество видов ионных газовых лазеров, рассчитанных на различные уровни мощности излучения. Наибольшее распространение в промышленности получили приборы, работающие в непрерывном режиме и имеющие мощность излучения от долей милливатт до 5­20 Вт при КПД 0,01­0,1%. В отдельных образцах получена мощность излучения до сотен ватт при КПД до десятых долей процента.

Использование мощных газовых разрядов требует принятия специальных мер для предохранения от разрушения оболочек и других конструктивных элементов газоразрядных трубок. Поэтому по конструктивному выполнению ионный аргоновый лазер значительно сложнее других газовых лазеров.

Полупроводниковые лазеры

Инжекционный лазер

Инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый двухэлектродный прибор с p­n­переходом (поэтому часто используется термин «лазерный диод»), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p­n­переход.

Рис. 6. Конструкция полупроводникового лазера

Активная среда инжекционного лазера (рис. 6) размещена в тонком прямоугольном параллелепипеде, расположенном между р­ и n­слоями полупроводниковой структуры; толщина d активной области около 1 мкм. Полированные или сколотые торцы кристалла (шириной w), выполненные оптически плоскими и строго параллельными, в такой конструкции действуют как оптический резонатор (аналог резонатора Фабри—Перо). Коэффициент отражения оптического излучения на полированных плоскостях кристалла достигает 20­40%, что обеспечивает необходимую положительную обратную связь без применения дополнительных технических средств (специальных зеркал или отражателей). Однако боковые грани кристалла имеют шероховатую поверхность, что уменьшает отражение оптического излучения от них.

Накачка активной среды в лазерном диоде обеспечивается внешним электрическим смещением р­n­перехода в прямом направлении. При этом через р­n­переход протекает значительный ток I_лд и достигается интенсивная инжекция возбужденных носителей заряда в активную среду полупроводникового лазера. В процессе рекомбинации инжектированных электронов и дырок излучаются кванты света (фотоны).

Лазерные колебания возбуждаются и генерируются, если усиление фотонов в активной среде превышает потери оптического излучения, связанные с частичным выводом, рассеянием и поглощением фотонов. Коэффициент усиления фотонов в активной среде полупроводникового лазера оказывается значительным только при интенсивной инжекции заряда. Для этого необходимо обеспечить достаточно большой электрический ток I_лд.

Чтобы систему с активным веществом превратить в генератор, необходимо (как и в радиотехнике) создать положительную обратную связь, то есть часть усиленного выходного сигнала нужно возвратить в кристалл. Для этого в лазерах используются оптические резонаторы. Типичным резонатором является резонатор Фабри—Перо, состоящий из двух параллельных плоских зеркал и обеспечивающий многократное прохождение волны через активное вещество, расположенное между этими зеркалами. Для вывода излучения по крайней мере одно зеркало делается полупрозрачным. В полупроводниковом лазере роль резонатора выполняют параллельные грани кристалла, создаваемые методом скола.

Кроме того, необходимо обеспечить электрическое, электронное и оптическое ограничения. Суть электрического ограничения состоит в том, чтобы максимальная доля пропускаемого через структуру электрического тока проходила через активную среду. Электронное ограничение — это сосредоточение всех возбужденных электронов в активной среде и принятие мер против их расплывания в пассивные области. Оптическое ограничение должно предотвратить растекание светового луча при его многократных проходах через кристалл и обеспечить удержание лазерного луча в активной среде. В полупроводниковых лазерах это достигается за счет того, что зона удержания луча характеризуется несколько большим значением показателя преломления, чем соседние области кристалла, — вследствие этого возникает волноводный эффект самофокусировки луча. Неодинаковость показателей преломления достигается различием в характере и степени легирования зон кристалла, включая использование гетероструктур.

Важным условием лазерной генерации является превышение порога возбуждения. Действительно, создание в активной среде инверсной населенности, обеспечение положительной обратной связи с помощью оптического резонатора определяют те энергетические предпосылки, которые необходимы, но отнюдь не достаточны для возникновения лазерного эффекта. Мешают такие факторы, как поглощение в среде, затрата части подводимой энергии на бесполезный разогрев кристалла, краевые эффекты, неидеальность зеркал резонатора, спонтанные излучательные и безызлучательные переходы. Необходимость восполнить эти потери и обусловливает наличие порога лазерной генерации.

При рекомбинации свободных электронов и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может сообщаться кристаллической решетке (переходить в тепло) или излучаться в виде квантов света (фотонов). Для полупроводниковых лазеров принципиально важным является испускание фотонов (излучательная рекомбинация). В кремниевых и германиевых полупроводниках доля рекомбинационных актов, вызывающих излучение фотонов, весьма невелика; такие полупроводники по существу непригодны для лазеров.

Иначе протекают рекомбинационные процессы в бинарных (двойных) полупроводниках типа А³В⁵ (а также А²В⁶ и А⁴В⁶), где в определенных, технически совершенных условиях доля излучательной рекомбинации приближается к 100%. Такие полупроводники являются прямозонными; возбужденные электроны проходят запрещенную зону, теряя энергию и излучая фотоны напрямую, не изменяя импульса и направления движения, без дополнительных стимулирующих условий и средств (промежуточных энергетических уровней и тепловых воздействий). Вероятность прямых излучательных переходов оказывается наиболее высокой.

Среди бинарных соединений типа А³В⁵ в качестве лазерных материалов доминируют кристаллы арсенида галлия GaAs. Расширение физических и технических возможностей полупроводниковых лазеров обеспечивают твердые растворы арсенида галлия, в которых атомы дополнительных элементов (алюминия — Al, индия — In, фосфора — Р, сурьмы — Sb) смешаны и жестко фиксированы в общей кристаллической решетке базовой структуры. Распространение получили тройные соединения: арсенид галлия—алюминия Ga_1–xAl_xAs, арсенид индия—галлия In_xGa_1–xAs, арсенид—фосфид галлия GaAs_1–x P_x, арсенид—антимонид галлия GaAs_xSb_1–x и четверные соединения: Ga_xIn_1–xAsyP_1–y, Al_xGa_1–xAsySb_1–y. Содержание (х или у) конкретного элемента в твердом растворе задано в пределах 0<х<1, 0<у<1.

Эффективно излучающими прямозонными полупроводниками являются двойные соединения А³В⁵ (InAs, InSb, GaSb), A2B6 (ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, CdS, CdTe, CdSe), группа (PbS, PbSe, PbTe) и твердые растворы (Zn_1–xCd_xS, CdS_1–xSe_x, PbS_1–xSe_x, Pb_xSn_1–xTe).

Длина волны излучения полупроводникового лазера достаточно жестко связана с шириной запрещенной зоны, которая, в свою очередь, четко определяется физическими свойствами конкретного полупроводникового соединения. Варьируя состав лазерного материала, можно изменять ширину запрещенной зоны и, как следствие, длину волны лазерного излучения.

Инжекционные лазеры имеют следующие достоинства:

•  сверхминиатюрность: теоретическая минимальная длина резонатора близка к 10 мкм, а площадь его поперечного сечения — к 1 мкм²;

•  высокий КПД преобразования энергии накачки в излучение, приближающийся у лучших образцов к теоретическому пределу; это обусловлено тем, что лишь при инжекционной накачке удается исключить нежелательные потери:  вся энергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов;

•  удобство управления — низкие напряжения и токи возбуждения, совместимые с интегральными микросхемами; возможность изменения мощности излучения без применения внешних модуляторов; работа как в непрерывном, так и в импульсном режиме с обеспечением при этом очень высокой скорости переключения (в пикосекундном диапазоне).

Управление полупроводниковыми лазерами (лазерными диодами) обеспечивается схемотехническими средствами и потому оказывается относительно несложным. Мощность излучения Ризл полупроводникового лазера (рис. 7) зависит от инжекционного тока Iлд (тока возбуждения) в активной зоне лазерного диода (ЛД). При небольших уровнях тока Iлд полупроводниковый лазер действует как светодиод и генерирует некогерентное оптическое излучение небольшой мощности. При достижении порогового уровня тока Iлд оптические колебания в лазерном резонаторе генерируются, становятся когерентными; резко возрастает мощность излучения Ризл. Однако генерируемая мощность Ризл и в этом режиме пропорциональна уровню тока Iлд. Таким образом, возможности изменения (переключения, модуляции) мощности излучения полупроводникового лазера прямо связаны с целенаправленным изменением инжекционного тока Iлд.

В импульсном режиме действия лазерного диода его рабочая точка М (рис. 7а) фиксируется на пологом участке ватт­амперной характеристики Ризл =  (Iлд) в предпороговой области лазера. Резкое увеличение тока Iлд переводит рабочую точку на крутой участок характеристики (например, в положение N), что гарантирует возбуждение и интенсивный рост мощности лазерных колебаний. Спад тока Iлд и перевод рабочей точки лазера в исходное положение М обеспечивают срыв лазерных колебаний и резкое снижение выходной мощности лазерного излучения.

В аналоговом режиме модуляции лазерных колебаний рабочая точка Q фиксируется на крутом участке ватт­амперной характеристики (рис. 7б). Изменение тока Iлд под действием внешнего информационного сигнала приводит к пропорциональному изменению выходной мощности полупроводникового лазера.

Рис. 7. Диаграммы управления мощностью излучения полупроводникового лазера в режимах цифровой (а) и аналоговой (б) модуляции

Инжекционным лазерам присущи и недостатки, к наиболее принципиальным из которых можно отнести:

•  невысокую когерентность излучения (в сравнении, например, с газовыми лазерами) — значительную ширину спектральной линии;

•  большую угловую расходимость;

•  асимметрию лазерного пучка.

Асимметрия лазерного луча объясняется явлением дифракции, из­за которой световой поток, излучаемый прямоугольным резонатором, расширяется неодинаково (рис. 8а): чем уже торец резонатора, тем больше угол излучения . В полупроводниковом лазере толщина d резонатора заметно меньше его ширины w; поэтому угол излучения || в горизонтальной плоскости (рис. 8б) меньше угла ₁ в вертикальной плоскости (рис. 8в), а луч полупроводникового лазера имеет эллиптическое сечение. Обычно _|| ≈ 10­15°, a ₁ ≈ 20­40°, что явно больше, чем у твердотельных и, особенно, газовых лазеров.

Рис. 8. Рассеяние оптического излучения полупроводникового лазера

Для устранения асимметрии эллиптический гауссов пучок света с помощью скрещенных цилиндрических линз (рис. 9) преобразуют в пучок круглого сечения.

Рис. 9. Преобразование эллиптического гауссова светового пучка в круговой с помощью скрещенных цилиндрических линз

В допечатных процессах лазерные диоды нашли чрезвычайно широкое применение В качестве  источников экспонирующего излучения во многих фотовыводных и формовыводных устройствах, а также в цифровых печатных машинах.

Как правило, лазерное излучение поступает на экспонируемый материал от лазерного диода через оптико­волоконные световоды. Для оптимального оптического согласования полупроводниковых лазеров и волоконных световодов используются цилиндрические, сферические и стержневые (градиентные) линзы.

Цилиндрическая линза (рис. 10а) позволяет преобразовать сильно вытянутый эллипс пучка лазерного излучения и придать ему на входе в волоконный световод почти круглое сечение. При этом эффективность ввода лазерного излучения в многомодовый световод достигает 30%.

Рис. 10. Применение цилиндрической (а) и сферической (б) линз для оптического согласования полупроводникового лазера и волоконного световода

Сферическая линза (рис. 10б) обеспечивает преобразование расходящихся лучей лазерного излучения в параллельный пучок света значительного диаметра, что заметно облегчает дальнейшее преобразование и оптимальный ввод оптического излучения.

Эффективным элементом такого преобразования и ввода является стержневая (градиентная) линза, которая фокусирует излучение в пучок, сходящийся под необходимым (относительно небольшим) углом с числовой апертурой волоконного световода. Стержневые линзы имеют цилиндрическую форму с плоскими торцами для ввода оптического излучения. В стержневой (градиентной) линзе, как и в градиентном оптическом волокне, коэффициент преломления не является постоянным, а уменьшается пропорционально квадрату расстояния: от центральной оси (то есть пропорционально квадрату радиуса). Однако, в отличие от градиентного световода, у градиентной линзы большой диаметр (1­2 мм) и нет оболочки.

На рис. 11а показаны траектории светового пучка в градиентной линзе, в которую вводится параллельный пучок, далее изменяется и продвигается по синусоидальной траектории. Такая траектория распространения света имеет период (шаг)

,

где g — параметр, определяющий распределение показателя преломления (и, как следствие, степень фокусировки) линзы.

Создавая (вырезая) градиентный стержень определенной длины L, можно четко сформировать определенные фокусирующие свойства линзы. Если L = Lр /2, то падающий параллельный пучок света можно сфокусировать в объеме линзы, а затем вывести его вновь в виде параллельного пучка.

Градиентная линза длиной L = Lp /4 фокусирует параллельный пучок света в пятно небольшого диаметра (рис. 11б), что эффективно при вводе пучка оптического излучения значительного диаметра в волоконный световод с небольшой числовой апертурой.

Формируя градиентную линзу длиной L ≤ Lp /2 в техническом варианте, представленном на рис. 11в, можно успешно согласовать по оптическому каналу полупроводниковый лазер и волоконный световод.

Рис. 11. Применение стержневых линз для ввода и вывода оптического излучения

Твердотельный лазер

Твердотельные лазеры принципиально отличаются от газовых тем состоянием, в котором находится рабочее вещество, а также характером его накачки. Если в газовых лазерах широко используют самые разнообразные способы накачки (электрические, оптические, химические, тепловые и т.д.), то в твердотельных лазерах их выбор более ограничен. Накачка производится обычно через охлаждающую рабочее вещество жидкость и осуществляется оптическими средствами — с помощью излучения газоразрядных ламп, светодиодов, лазеров и т.п. Наиболее широко применяют ламповую накачку.

Рис. 12. Твердотельный лазер непрерывного действия (вариант конструкции)

Обычно в конструкции твердотельного лазера (рис. 12) используются активный (лазерный) стержень 1 и лампа накачки 2 одинаковой («карандашной») конструкции. Зеркала 3 и 4 оптического резонатора разделены управляющим оптическим затвором 5. Для эффективного применения энергии оптической накачки стержень 1 и лампа 2 помещены в замкнутый рефлектор 6 эллиптической формы. При этом элементы 1 и 2 размещаются в фокусах эллиптического сечения рефлектора, что позволяет сконцентрировать энергию оптической накачки в объеме активной среды. Рефлектор 6 заполнен охлаждающей жидкостью, которая периодически прокачивается через лазер.

Среди лазерных материалов наиболее представительной является группа ионных кристаллов с примесями. Кристаллы неорганических соединений фторидов (CaF₂, LaF₃, LiYF₄), оксидов (Al₂O₃) и сложных соединений (CaWO₄, Y₃Al₁₅O₁₂, Ca₅(PO₄)₃F) содержат в кристаллической решетке ионы активных примесей, редкоземельных (самария Sm²⁺, диспрозия Dy²⁺, тулия Tw²⁺, Tw³⁺, празеодима Pr³⁺, неодима Nd³⁺, эрбия Er³⁺, гольмия Нo³⁺), переходных (хрома Cr³⁺, никеля Ni²⁺, кобальта Со²⁺, ванадия V²⁺) элементов или ионов урана U³⁺. Концентрация активных примесей в кристаллах составляет от 0,05 до нескольких процентов (по массе). Генерация возбуждается методом оптической накачки, причем энергия в основном поглощается примесными ионами. Рассматриваемые лазерные материалы отличаются высокой концентрацией активных частиц (10¹⁹­10²¹ см^-3), весьма небольшой шириной линии генерации (0,001­0,1 нм) и малой угловой расходимостью генерируемого излучения.

К недостаткам этих материалов следует отнести низкий (1­5%) коэффициент преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в системе «лампа накачки—кристалл», сложность изготовления лазерных стержней больших размеров и необходимой их оптической однородности.

Лазерные кристаллы с дозированными примесями выращиваются, как правило, посредством направленной кристаллизации расплава в специальных кристаллизационных аппаратах, обеспечивающих высокую стабильность температуры расплава и скорости роста кристалла. Из выращенных кристаллов вырезаются цилиндрические стержни длиной до 250 мм и диаметром 2­20 мм. Торцы стержней шлифуются, а затем полируются. В большинстве случаев стержни изготавливаются с плоскими торцами, параллельными друг другу (с точностью 3­5”) и строго перпендикулярными геометрической оси стержня. Возможно применение торцов сферической и иных конфигураций.

Из твердотельных лазеров наиболее широкие возможности для обработки информации имеют лазеры на гранате, которые успешно конкурируют с газовыми лазерами благодаря тому, что могут работать в самых разнообразных режимах — в непрерывном, импульсном и т.д. По сравнению с СО₂­лазерами они работают на значительно более короткой длине волны, что позволяет фокусировать излучение твердотельных лазеров в пятно меньшего размера. По сравнению с аргоновыми лазерами они обеспечивают в 2­3 раза большее значение коэффициента полезного действия. К их преимуществам относятся также компактность, мобильность и т.д. По сравнению с газовыми, лазеры на гранате являются более дорогими и при эксплуатации требуют большего внимания к профилактике — необходимы периодическая замена ламп накачки, поддержание чистоты охлаждающей жидкости, через которую осуществляется накачка. Кроме того, в лазере на гранате существуют некоторые трудности с обеспечением стабильности излучения.

Для эффективного использования энергии излучения лампы накачки применяют замкнутый рефлектор, заполненный охлаждающей жидкостью, прокачиваемой через его объем. Одной из наиболее эффективных форм рефлектора является эллиптическая. При такой форме сечения рефлектора лампу накачки и активный элемент располагают в фокусах эллиптического сечения, что обеспечивает максимальную концентрацию световой энергии накачки в толще активного элемента.

В качестве зеркал оптического резонатора в твердотельном лазере могут использоваться оптически обработанные торцы активного элемента, в случае необходимости снабжаемые отражающими покрытиями для получения требуемых значений коэффициентов отражения и пропускания. Если необходимо получить специальные свойства лазерного излучения (характер поляризации, модовый состав и т.п.), зеркала оптического резонатора могут быть и внешними, что также может быть обусловлено технологией оптической обработки и нанесения покрытий.

Активный элемент и лампа накачки твердотельного лазера обычно требуют жидкостного охлаждения в тех случаях, когда мощность излучения лазера не является достаточно малой (на уровне милливатт). Это приводит к усложнению конструкции, так как через охлаждающую жидкость будет проходить энергия накачки, которая не должна заметно поглощаться  этой жидкостью.

Обычно твердотельные лазеры, кроме источника питания, комплектуются специальной системой охлаждения с насосом и теплообменником, что ведет к снижению суммарного коэффициента полезного действия и вызывает необходимость выполнения дополнительных профилактических работ при эксплуатации.

Рис. 13. Вариант исполнения ND:YAG-лазера с ламповой накачкой: 1 — заднее зеркало; 2 — лампа накачки; 3 — кристалл Nd:YAG; 4 — отражатель; 5 — заслонка; 6 — выходное зеркало; 7 — модулятор света; 8 — фокусирующая оптическая система

Вариант исполнения ND:YAG­лазера с ламповой накачкой приведен на рис. 13. Твердотельные ND:YAG­лазеры с ламповой накачкой были первыми лазерными источниками, примененными в системах CtP для флексографии. Сегодня они установлены во многих системах, ибо являются проверенным надежным решением. Компоненты таких лазеров отрабатывались в течение нескольких десятилетий, и сегодня их производством занимаются сотни компаний во всем мире.

Рис. 14. Вариант исполнения Nd:YAG-лазера с полупроводниковой накачкой: 1 — заднее зеркало; 2 — лазерные диоды оптической накачки; 3 — кристалл Nd:YAG; 4 — корпус; 5 — заслонка; 6 — выходное зеркало, 7 — модулятор света; 8 — фокусирующая оптическая система

Ряд недостатков, присущих этим лазерам, вынудил в некоторых случаях искать им замену. Развитие и совершенствование лазерной техники в 90­е годы. привело к распространению твердотельных лазеров, где ламповый источник света был заменен полупроводниковыми лазерами (диодами). Один из вариантов оптической системы таких лазеров представлен на рис. 14. В лазерах с полупроводниковой (диодной) накачкой вместо ламп используются мощные лазерные диоды, излучающие  свет именно той  длины волны (808 нм), которая необходима для генерации лазерного излучения кристаллом Nd:YAG­лазера. Главное отличие этих лазеров от лазеров с ламповой накачкой заключается в значительно более высокой (на порядок) эффективности преобразования излучения мощных лазерных диодов, что позволяет избежать высокого электропотребления и обойтись без интенсивного внешнего водяного охлаждения (внутренний контур водяного охлаждения активного тела лазера все же необходим). Все это делает системы записи изображения с такими лазерами более удобными в эксплуатации.

Мощность лазеров с полупроводниковой накачкой позволяет расщепить пучок лазерного излучения на несколько раздельно управляемых пучков, причем без ухудшения качества излучения. Вследствие этого такие лазеры незаменимы для построения многолучевых оптических систем записи, используемых для повышения производительности, поскольку  несколько лучей экспонируют материал параллельно.

В устройствах с расщеплением лазерного пучка (в отличие от систем, где используются два различных лазера) с течением времени на растровом изображении не появляется полошения. Известно, что в лазерах через какое­то время может происходить слабое отклонение лазерного пучка, которое выражается в небольшом (в несколько микрон) смещении пятна записи на материале в произвольном направлении. Но когда два луча получаются посредством  расщепления единого пучка, это смещение для обоих пятен записи происходит синхронно и не приводит к проблемам. Если же применены два лазера, то возможно рассогласование пятен, которое приводит к появлению полос на изображении. Этот эффект можно устранить только повторной калибровкой, которая может быть выполнена лишь силами специально обученного персонала.

Волоконный лазер

Логическим развитием твердотельных лазеров стали волоконные лазеры, где в качестве накачки также используются лазерные диоды. Эти источники были разработаны для телекоммуникационных систем волоконной связи, где они применяются в качестве усилителей сигналов. Представьте себе, что кристалл, в котором происходит генерация полезного лазерного излучения, как бы растянут на несколько десятков метров и представляет собой сердцевину волокна диаметром несколько микрон, которая находится внутри кварцевого волокна. Излучение диодов направляется в кварцевое волокно, и на всем его протяжении происходит оптическая накачка сердцевины.

Применение лазерного стекла в качестве активного элемента в твердотельных лазерах известно давно. В отличие от кристаллов, лазерные стекла имеют неупорядоченную внутреннюю структуру. Наряду со стеклообразующими компонентами SiO₂, B₂O₃, P₂O₅, BeF₂, в них содержатся Na₂O, K₂O, Li₂O, MgO, CaO, BaO, Al₂O₃, Sb₂O₃. Активными примесями чаще всего служат ионы неодима Nd³⁺; используются также гадолиний Gd³⁺, эрбий Er³⁺, гольмий Но³⁺, иттербий Yb³⁺. Концентрация ионов неодима Nd³⁺ в стеклах доходит до 6% (по массе).

В лазерных стеклах достигается высокая концентрация активных частиц. Другим достоинством таких стекол является возможность изготовления активных элементов больших размеров практически любой формы и с очень высокой оптической однородностью. Стекла получают в платиновых или керамических тиглях. К недостаткам использования стекол в качестве лазерных материалов следует отнести относительно широкую полосу генерации (3­10 нм) и низкую теплопроводность, препятствующую быстрому отводу тепла при мощной оптической накачке.

Волоконные лазеры имеют очень высокую (до 80%) эффективность преобразования излучения лазерных диодов в полезное излучение. Для обеспечения их работы достаточно воздушного охлаждения. Эти лазерные источники весьма перспективны для систем цифровой записи печатных форм.

Рис. 15. Оптическая система с волоконным лазером: 1 — сердцевина, легированная иттербием, диаметр 6-8 мкм; 2 — кварцевое волокно, диаметр 400-600 мкм; 3 — полимерная оболочка; 4 — внешнее защитное покрытие; 5 — лазерные диоды оптической накачки; 6 — оптическая система накачки; 7 — волокно (до 40 м); 8 — коллиматор; 9 — модулятор света; 10 — фокусирующая оптическая система

На рис. 15 представлена схема работы волоконного лазера с полупроводниковой накачкой и в общем виде весь оптический тракт вплоть до обрабатываемого материала. Главная особенность этого лазера состоит в том, что излучение здесь рождается в тонком, диаметром всего  6­8 мкм, волокне (сердцевине;  например, активной средой может быть иттербий), которое находится внутри кварцевого волокна диаметром 400­600 мкм. Излучение лазерных диодов накачки вводится в кварцевое волокно и распространяется вдоль всего сложного составного волокна, имеющего в длину несколько десятков метров.

Излучение оптически накачивает сердцевину, и именно здесь, на атомах иттербия, происходят физические превращения, приводящие к возникновению лазерного излучения. Вблизи концов волокна на сердцевине делают два так называемых дифракционных зеркала в виде набора насечек на цилиндрической поверхности сердцевины (дифракционные решетки) — так создается резонатор волоконного лазера. Общую длину волокна и количество лазерных диодов выбирают, исходя из требуемой мощности и эффективности. На выходе получается идеальный одномодовый лазерный пучок с весьма равномерным распределением мощности, что позволяет сфокусировать излучение в пятно малого размера и получить большую, чем в случае мощных твердотельных Nd:YAG­лазеров, глубину резкости.

Стоит также отметить, что ряд таких свойств излучения волоконных лазеров, как, например, характер поляризации пучка, делает удобным и надежным управление этим излучением с помощью акусто­оптических устройств и позволяет реализовать многолучевые схемы записи изображений.

Поскольку оптическая накачка идет по всей длине волокна, то отсутствуют такие свойственные обычным твердотельным лазерам эффекты, как термолинза в кристалле, искажения волнового фронта вследствие дефектов самого кристалла, нестабильность луча во времени и др., которые всегда препятствовали достижению максимальных возможностей твердотельных систем. Однако сами принципы строения и работы волоконного лазера гарантируют высокие эксплуатационные характеристики и делают  данные устройства совершенными преобразователями светового излучения в лазерное.

Мир Этикетки 6'2006